ضوء الظلام.. أخيراً العلماء توصلوا لوسيلة لتوليد الطاقة الشمسية في الليل والأماكن المغلقة؟

يقترب العلماء من التوصل لحل أكبر عائق أمام انتشار الطاقة الشمسية، إذ تجرى تجارب لتوليد الطاقة الشمسية في الغرف المغلقة وأثناء الليل.

وتكتسب هذه المحاولات أهمية بالغة بالنظر إلى أنها تحل أكبر مشكلة أمام الطاقة الشمسية، وهي كيفية توفير طاقة مستدامة بدلاً من تكلفة التخزين. 

إذ يتمثل أحد التحديات الكبيرة التي يواجهها العالم الحديث عند التطلع إلى المستقبل في الطلب المتزايد على مصادر الطاقة الرخيصة والصغيرة لتشغيل جميع أجهزتنا الإلكترونية وأنظمة الإضاءة والأجهزة وغيرها من الأشياء اليومية المرتبطة بشبكة الإنترنت، حسبما ورد بموقع BBC Mundo الناطق باللغة الإسبانية.

تجارب لتوليد الطاقة الشمسية في الغرف المغلقة وأثناء الليل

تعدُّ إعادة شحن جميع هذه الأجهزة مكلفة، وكذلك استبدال البطاريات باهظة الثمن التي تشغّلها.

كانت أنظمة توليد الطاقة المتجددة، وخاصة الألواح الشمسية، فعالة في استكمال إمدادات الكهرباء، ولكنها محدودة؛ مثلاً عندما ننتقل إلى الأماكن الداخلية، بعيداً عن أشعة الشمس، وكذلك عندما يأتي الليل.

لكن الآن، طوّرت دراستان منفصلتان أدوات يمكنها أن تؤمّن احتياجاتنا المستقبلية من الطاقة.

في إحداهما، ابتكر العلماء في الصين والسويد خلايا شمسية عضوية -أو كهروضوئية- مُحسّنة لتحويل الضوء المحيط إلى كهرباء.

وفي الأخرى، جرّب علماء في ولاية كاليفورنيا بالولايات المتحدة لوحة استفادت من برد السماء الليلي لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء.

والآن فلننظر إلى كليهما بشكل منفصل وكيف يمكن أن تخدمنا كل منهما.

كيف يمكن إنتاج الطاقة الشمسية في الأماكن المغلقة؟

مع توسع الربط الرقمي للأشياء اليومية بالإنترنت -ما يطلق عليه "إنترنت الأشياء" (IdC)- نتوقع أن نحتاج إلى الحصول على ملايين المنتجات عبر الإنترنت، سواء في الأماكن العامة أو في المنزل.

ستشمل العديد من هذه المنتجات العديد من أجهزة الاستشعار لاكتشاف وقياس الرطوبة وتركيز الجسيمات ودرجة الحرارة وغيرها من العوامل البيئية.

هنا حيث يأتي استخدام الخلايا الشمسية العضوية في الأماكن المغلقة التي طُوِّرت بشكل مشترك من قبل علماء من الأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة لينشوبينغ، السويد.

الطاقة التي تنتجها هذه الفكرة منخفضة، ومع ذلك، ستكون كافية لتشغيل ملايين المنتجات التي ستكون متصلة بالإنترنت في المستقبل.

أنشأ الباحثون، الذين نشروا نتائجهم في مجلة Nature Energy المتخصصة، طبقة ممتصة للضوء بمزيج دقيق من المواد التي تسمح بمرونة كبيرة عندما يتعلق الأمر "بضبط" الخلايا الشمسية لقبول أطياف مختلفة (طول موجي) للضوء، بما يسمح بالاستفادة من الأضواء الداخلية المحيطة.

يمتص المزيج الطول الموجي للضوء الذي يحيط بنا تماماً.

في إحدى التجارب، تعرضت خلية مساحتها سنتيمتر واحد للضوء المحيط بكثافة 1000 لُكس (اللُكس أو الشمعة المعيارية هي وحدة شدة الضوء في نظام الوحدات الدولي) وتمكن الباحثون من ملاحظة أن ما يصل إلى 26.1٪ من الطاقة الضوئية قد تحوّل إلى كهرباء.

وقال فينج جاو، الأستاذ في قسم الإلكترونيات الجزيئية العضوية والعضوية بجامعة لينشوبينغ بالسويد: "يَعِدُ هذا البحث بآمال كبيرة في استخدام الخلايا الشمسية العضوية لتعزيز إنترنت الأشياء في حياتنا اليومية".

لا تُعدُّ هذه الخلايا مرنة وغير مكلفة لإنتاجها فحسب، بل هي أيضاً مناسبة للإنتاج الشامل.

وقال جيانهوى هو، الأستاذ بمعهد الكيمياء بالأكاديمية الصينية للعلوم: "نحن واثقون من تحسُّن كفاءة الخلايا الشمسية العضوية من أجل تطبيقات الإضاءة المحيطة في السنوات القادمة، لأنه لا يزال هناك مجال كبير للاستمرار في تطوير المواد المستخدمة في هذا المجال".

والنتيجة هي تقدم إضافي في دراسات توليد الطاقة باستخدام الإضاءة الداخلية. ولكن ماذا يحدث عندما لا يكون هناك ضوء؟

ما قصة ضوء الظلام؟ 

ستكون القدرة على توليد الكهرباء في الليل ضرورية في تسهيل تشغيل مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أنظمة الإضاءة والطبخ وأجهزة الاستشعار ذات الطاقة المنخفضة.

تعمل الألواح الشمسية التقليدية على أساس الديناميكا الحرارية. كمصدر للحرارة، تتفاعل الشمس مع البيئة الباردة على الأرض كمشت حراري، ويعمل الفرق في درجات الحرارة على توليد الكهرباء.

الآن، عكس باحثون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وجامعة ستانفورد، في نفس الولاية، هذه العملية باستخدام بيئة الأرض الدافئة وبرد الفضاء الليلي، فيما يعرف باسم التبريد الإشعاعي، لإلقاء الضوء على الصمام الثنائي الباعث للضوء، أو LED.

فالأرض خلال الليل تبث الحرارة التي اكتسبتها من الشمس.

صمم البروفيسور أسواث رامان، من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، والعلماء وي لي وشانهوي فان، من جامعة ستانفورد، جهازاً يتكون من مشعاع ألومنيوم يلتقط الحرارة من الهواء المحيط ويطلقها في الغلاف الجوي من صفيحة ألمنيوم مطلية باللون الأسود.

يستفيد المحول الحراري من التبريد الإشعاعي؛ إذ ينقل السطح المعرض للسماء حرارته إلى الجو ليلاً، من خلال الإشعاع الحراري.

تتسبب هذه الظاهرة في أن يبرد السطح المكشوف أكثر من الهواء المحيط، مما يفسر تكوين الصقيع، والذي يمكن استخدامه الآن لتوليد الكهرباء.

وتجرى العملية من خلال تدفق الحرارة من الأرض إلى الهواء، ثم من الهواء عبر مولدات الكهرباء الحرارية ومنها إلى القرص الذي يشع الحرارة إلى الأعلى.

وقال رامان كبير مؤلفي الدراسة التي نشرت في مجلة Joule في بيان: "يمكن لهذا الجهاز توليد الكهرباء ليلاً عندما لا تعمل الخلايا الشمسية".

وأضاف: "بالإضافة إلى الإضاءة، نعتقد أنه يمكن أن يكون وسيلة لتوليد الطاقة في الأماكن النائية، وفي أي مكان تحتاج إلى الحصول على الكهرباء فيه خلال الليل".

ووضع الفريق الجهاز على طاولة على ارتفاع متر واحد فوق مستوى الأرض، مما سمح له بسحب الحرارة من الهواء المحيط وإطلاقه في سماء الليل من خلال باعث أسود بسيط. وعند الاتصال بمصباح LED أبيض، وجد الباحثون أن الجهاز قد أضاء المصباح، مما يولد ما يصل إلى 25 مللي واط من الطاقة لكل متر مربع على مدار ست ساعات.

يمكن بناء الجهاز على نطاق أوسع مع سهولة الاستخدام العملي وتصنيعه من التكنولوجيا الرخيصة الموجودة.

على الرغم من توليد القليل من الكهرباء في الوقت الحالي، إلا أن الباحثين يقدّرون أنه يمكن زيادة قوتها 20 مرة عن طريق تعديلها واستخدامها في مناخ أكثر دفئاً وجفافاً.